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Mikrochips:"Was Material und Werkzeuge angeht, ist Europa essenziell für die Chip-Herstellung"

ASML Cleanroon Assembly

ASML-Reinraum im niederländischen Veldhoven

(Foto: foto: ASML, Bart van Overbeeke)

Auf der Fahrt von der deutschen Grenze Richtung Veldhoven reiht sich ein Gemüsefeld an das nächste, wenig deutet darauf hin, dass in der Nähe eine der kompliziertesten Maschinen gefertigt wird, die Europa zu bieten hat. Das Know-how für den EUV-Prozess hat derzeit nur die Firma ASML, jedoch im Verbund mit zwei deutschen Partnern. So liefert der schwäbische Optik-Konzern Zeiss die Spezialspiegel, der bei Stuttgart ansässige Laser-Hersteller Trumpf ist zuständig für den Laserstrahl. Der Markt für solche Spezialmaschinen ist klein, derzeit sind nach Angaben von ASML weltweit ganze 44 EUV-Scanner in Betrieb, weitere 30 sollen dieses Jahr ausgeliefert werden. Zu den Kunden zählen alle großen Chip-Hersteller. "Was Material und Werkzeuge angeht, ist Europa essenziell für die Chip-Herstellung", sagt der stellvertretende Trumpf-Geschäftsführer Peter Leibinger. Im "Big Game" spiele man hingegen keine Rolle.

Gemeint ist die umsatzstarke Endproduktion der Mikrochips, die Firmen wie Samsung, TSMC oder Intel dominieren. So eine "Fab", wie deren Fabriken im Fachjargon heißen, kostet bis zu 20 Milliarden Dollar und muss seine Kosten innerhalb weniger Jahre wieder einspielen. In Deutschland würde allein die Baugenehmigung länger dauern als anderswo der Betrieb, mutmaßt Leibinger. Der größte heimische Produzent Infineon schaffte es kürzlich dank eines Zukaufs in den USA immerhin unter die weltweite Top Ten.

Mehr als ein halbes Jahrhundert war die Branche von der Formel getrieben, wonach sich die Dichte der Transistoren auf einem Mikroprozessor etwa alle zwei Jahre verdoppelt, bei etwa gleichbleibenden Kosten. Diesem "Mooreschen Gesetz", 1965 von Intel-Ingenieur Gordon Moore erstmals formuliert, folgen die Hersteller noch immer wie einem religiösen Dogma. Die Leistung der Chips verbessere sich alle paar Jahre, ohne dass diese teurer würden, sagt Leibinger. "Die Weltwirtschaft hängt davon ab!"

Kleinere Mikrochips haben neben mehr Leistung einen weiteren Vorteil: Die Schaltkreise arbeiten effizienter, brauchen also für die gleiche Berechnung weniger Strom. Das ist nicht nur in E-Autos wichtig, die so viel Reichweite wie möglich aus ihrer Batterie quetschen müssen, sondern auch für den Betrieb großer Datenzentren. Auch KIs sind Energiefresser: Laut Berechnungen des MIT setzt das Training eines Deep-Learning-Programms so viel CO₂ frei wie fünf Autos in ihrer gesamten Lebensdauer. Energieeffizienz ist daher dringend notwendig, auch wenn man an Smartphones denkt. Würde ein Chip heutiger Leistung mit der Technik aus den 1970ern produziert, wäre er groß wie ein Volleyballfeld.

Schrumpfen die Chips weiter, könnten bald Quanteneffekte ihre Funktion stören

Doch wie lange lässt sich die Miniaturisierung noch fortsetzen? "Moore's Law im klassischen Sinne gilt schon seit etwa zehn Jahren nicht mehr", sagt Jonathan Finley, Professor für Halbleiter-Nanostrukturen und Quantensysteme an der TU München. Seit etwa dieser Zeit stiegen die Taktfrequenzen in gewöhnlichen Computern nicht weiter an. Ein Grund ist, dass sich die Abwärme der Stromkreise bei immer dichterer Anordnung kaum noch ableiten lässt, die Mikrochips drohen also zu überhitzen. Allerdings war die Branche bisher sehr geschickt darin, Rechner auf andere Weise leistungsfähiger zu machen - etwa indem mehrere Prozessor-Kerne parallel rechnen.

Dennoch werde man demnächst, vielleicht um das Jahr 2025 herum, an physikalische Grenzen der Winzigkeit stoßen, sagt Finley. Die EUV-Technologie ermöglicht bereits Transistoren mit einer Größe von etwa fünf Nanometern. Spätestens bei zwei bis drei Nanometern werde die Elektronik ihre Zuverlässigkeit verlieren. Die Bauteile messen dann nur noch etwa zehn Atome, und die Gesetze der Quantenphysik werden sich bemerkbar machen: Die Elektronen, die durch die Schaltkreise strömen, verhalten sich dann nicht mehr zwingend wie ein Teilchen, sondern wie Wellen. Treffen zwei dieser Wellen aufeinander, löschen sie sich schlimmstenfalls aus, und der Prozessor liefert kein Ergebnis.

Doch die Verkleinerung sei wichtig, betont Finley. So seien von der EUV-Lithografie auch Spinn-offs zu erwarten, positive Auswirkungen auf andere Bereiche, wie man sie aus der Raumfahrt kennt. Der für die Chip-Produktion entwickelte Laser könnte beispielsweise in der Medizin eingesetzt werden, vermutet der Nanoforscher - um Isotope erzeugen, die für fortschrittlichere Kernspinuntersuchungen infrage kommen. Von besseren Geräten und Programmen ganz zu schweigen. "Am Ende profitieren wir alle."

Technik So funktioniert die Herstellung von Mikrochips Bilder

EUV-Technologie

So funktioniert die Herstellung von Mikrochips

Ein "Waferscanner" überträgt den Bauplan eines Mikrochips auf Silizium mithilfe von kurzwelligem Licht. So funktioniert die Lithografie mit extrem ultravioletter Strahlung.